復(fù)合材料齒輪加工工藝

孫莉潔，楊引鋒，劉勇

中國航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司 陜西西安 710077

1 序言

高強(qiáng)度耐磨聚醚醚酮復(fù)合材料S-0203是一種適用于水環(huán)境的耐磨材料，用于常溫、高溫蒸汽環(huán)境以及干摩擦條件，應(yīng)用于航天電解循環(huán)泵的齒輪類零件，工作環(huán)境為水環(huán)境，采用復(fù)合材料/金屬的配副方式，有效解決了金屬/金屬配副方式的高摩擦、高磨損、卡滯和咬死等故障。該循環(huán)泵采用無側(cè)板補(bǔ)償?shù)墓潭X側(cè)間隙的齒輪泵形式，通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主、從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，將泵進(jìn)口的介質(zhì)增壓輸送到出口。加工時(shí)對(duì)齒輪的端面及齒面精度要求較高。針對(duì)電解循環(huán)泵復(fù)合材料齒輪加工過程中出現(xiàn)的端面掉塊、齒面劃道等問題，對(duì)復(fù)合材料齒輪的加工工藝進(jìn)行研究。

2 問題描述

齒輪組件如圖1所示。在完成齒輪與齒輪軸壓套裝配后，箭頭所示端面出現(xiàn)掉塊缺陷，在體視顯微鏡（倍率為15×）下檢查，掉塊部位缺陷形貌如圖2所示。

圖1 齒輪組件

圖2 掉塊部位缺陷形貌

磨削齒面后，齒面沿齒向方向出現(xiàn)目視可見的明顯劃道，齒面劃道缺陷形貌如圖3所示。

圖3 齒面劃道缺陷形貌

3 原因分析

3.1 材料分析

該齒輪材料S-0203為高強(qiáng)度耐磨聚醚醚酮復(fù)合材料，以短切碳纖維增強(qiáng)改性的聚醚醚酮為原料壓制而成。聚醚醚酮為半結(jié)晶性芳香族線性熱塑性工程塑料，具有密度低（1.44g/cm3）、質(zhì)量輕、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、耐酸堿、耐水解、耐磨及自潤滑等綜合性能，具有良好的沖擊韌性；硬度低（邵氏硬度86～88HD），屬于硬塑料，機(jī)械切削性能良好。在加工初期刀具、磨粒鋒利時(shí)，可以承受較大的進(jìn)給量；當(dāng)?shù)毒卟讳h利或砂輪氣孔堵塞時(shí)，切削性能變差，導(dǎo)致產(chǎn)生剝落、掉塊缺陷。

3.2 工藝分析

（1）掉塊缺陷原因分析 存在掉塊缺陷的端面涉及的加工工序有壓套和磨端面工序。齒輪與齒輪軸的配合緊度為0.03～0.05mm，壓套時(shí)采用圖4所示常溫壓套裝置，使用壓力機(jī)在常溫下壓套，在齒輪軸上端面施加一定的壓力，使齒輪軸壓入非金屬齒輪的內(nèi)孔，目視齒輪軸與齒輪端面平齊。因齒輪的內(nèi)孔與齒輪軸的外圓為緊配合，壓套過程中復(fù)合材料齒輪會(huì)因擠壓造成齒輪內(nèi)孔和齒輪軸端面的相交處產(chǎn)生掉塊缺陷。若壓套后齒輪軸與齒輪端面不平齊，在磨端面過程中，不平齊部位無齒輪軸內(nèi)部支撐，內(nèi)孔彈性變形回縮，受砂輪磨削過程的剪切力，易產(chǎn)生剝落、掉塊缺陷。

圖4 常溫壓套裝置示意

（2）齒面劃道缺陷原因分析 齒面劃道缺陷涉及的工序?yàn)槟X工序。使用數(shù)控成形磨齒機(jī)磨削齒面，工件的裝夾如圖5所示。工件總長43.5mm，兩端軸徑為φ4mm，長徑比接近11，剛性差。采用磨齒直接開齒的方法進(jìn)行磨削，磨齒加工前后的工件如圖6所示，齒頂圓φ16.5mm，齒根圓φ9.5mm，磨齒余量3.5mm。采用5SG100-FG12VS3P剛玉砂輪磨削齒面，磨削過程中該材料易掉渣，若砂輪修整不及時(shí)，易被切屑堵塞。工件長徑比大，導(dǎo)致在加工過程中易彎曲變形，砂輪與齒面可能無法精確地貼合；同時(shí)砂輪偏軟，磨粒還在鋒利時(shí)就脫落，易在齒面形成劃道缺陷。

圖5 磨齒時(shí)工件的裝夾示意

圖6 磨齒加工前后的工件示意

4 對(duì)壓套工藝的改進(jìn)

4.1 對(duì)壓套方法的改進(jìn)

借鑒公司石墨襯套壓入鋁殼體內(nèi)孔的熱脹冷縮工藝方法，即殼體升溫160～180℃，石墨液氮冷卻至沸騰進(jìn)行壓套，滿足殼體與襯套的配合緊度要求。復(fù)合材料齒輪與齒輪軸的壓套，需將復(fù)合材料齒輪加熱，齒輪軸冷凍。在溫度參數(shù)方面無可供借鑒的數(shù)據(jù)，只能通過理論計(jì)算及試驗(yàn)確定溫度參數(shù)。復(fù)合材料齒輪的熱膨脹系數(shù)為5×10－5/℃，當(dāng)溫度升高至170～180℃時(shí)，理論計(jì)算內(nèi)孔會(huì)脹大0.034～0.036mm；齒輪軸的熱膨脹系數(shù)為14×10－6/℃，當(dāng)溫度降低至－50～－40℃時(shí)，理論計(jì)算齒輪軸外圓會(huì)縮小0.004～0.005mm。通過計(jì)算，熱脹后的齒輪內(nèi)孔與冷縮后的齒輪軸可以達(dá)到間隙配合。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，將齒輪放置在恒溫烘箱中，隨箱體溫度加熱至170～180℃，保持10min；將齒輪軸放置在低溫冷凍箱內(nèi)，隨箱體冷卻至－50～－40℃，保持10min，無需外力作用即可輕松完成壓套，消除了復(fù)合材料齒輪與金屬齒輪軸之間的機(jī)械擠壓力。因齒輪軸與齒輪零件體積較小，自身保溫性較差，所以加熱、冷卻后應(yīng)盡快完成壓套，避免室溫下零件溫度恢復(fù)，影響壓套質(zhì)量。

4.2 對(duì)壓套工裝的改進(jìn)

設(shè)計(jì)壓套工裝（見圖7），將齒輪軸安裝在壓套工裝內(nèi)孔中，按圖8a所示方向壓入復(fù)合材料齒輪，壓至與壓套工裝端面貼合（見圖8b）。

圖7 壓套工裝

圖8 改進(jìn)后壓套示意

以齒輪軸C外圓定位進(jìn)行壓套，C外圓直徑復(fù)合材料齒輪配合的B外圓直徑B外圓端面倒角0.1mm×45°，即齒輪軸與壓套工裝配合面寬度僅0.220～0.235mm，壓套工裝的內(nèi)孔與齒輪軸C外圓的間隙最小0.01mm，以確保齒輪軸裝入壓套工裝后垂直度、端面貼合度良好。在壓入復(fù)合材料齒輪時(shí)齒輪軸不能晃動(dòng)，確保復(fù)合材料齒輪壓入齒輪軸后與壓套工裝端面貼合度良好。以壓套工裝的端面為輔助基準(zhǔn)定位面，使齒輪軸、復(fù)合材料齒輪均與壓套工裝端面平齊，可保證齒輪軸與復(fù)合材料齒輪端面壓套后平齊，消除了復(fù)合材料齒輪在后續(xù)的磨削端面過程中，因凸出而受磨削剪切力，產(chǎn)生剝落、掉塊缺陷。

實(shí)踐證明，齒輪端面掉塊缺陷產(chǎn)生的原因有兩方面，一是壓套時(shí)的擠壓力造成掉塊，二是壓套后端面不平齊，在磨削過程中掉塊。對(duì)壓套工裝及方法改進(jìn)后，消除了壓套時(shí)的內(nèi)孔過盈擠壓力，保證壓套后齒輪端面平齊，采用體視顯微鏡（倍率為15×）進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。

5 對(duì)磨齒工藝的改進(jìn)

5.1 砂輪選型

因聚醚醚酮復(fù)合材料在我公司是首次加工，無相關(guān)的機(jī)械加工經(jīng)驗(yàn)，通過查閱機(jī)械加工手冊，同時(shí)結(jié)合聚醚醚酮材料特性，通過現(xiàn)場試驗(yàn)來確定砂輪磨料、硬度、結(jié)合劑及粒度。

（1）砂輪磨料的選擇 主要取決于工件的材料。碳化硅磨料的砂輪適用于金屬或非金屬的外圓、內(nèi)圓、平面和各種型面的磨削，可進(jìn)行粗磨、半精磨、精磨及開槽等。由于聚醚醚酮復(fù)合材料為硬塑料，齒輪磨削為型面磨削，在磨齒時(shí)粗磨與精磨不更換砂輪，因此選擇碳化硅磨料的砂輪。

（2）砂輪硬度的選擇 硬度是指砂輪在外力作用下磨粒脫落的難易程度。硬度的選擇主要取決于被磨削工件的材料、磨削效率和加工表面質(zhì)量。磨削軟材料時(shí)要選用較硬的砂輪；磨削硬材料時(shí)則要選擇軟砂輪；磨削軟而韌性大的材料時(shí)，應(yīng)選軟一些的砂輪；端面磨削比圓周磨削使用的砂輪要軟一些。聚醚醚酮復(fù)合材料為硬塑料，相對(duì)于金屬材料，材料軟且韌性大，采用成形磨齒的方法，應(yīng)選擇較軟的砂輪，在磨削過程中砂輪出現(xiàn)堵塞時(shí)，磨粒易脫落，可以始終保持磨粒鋒利。

（3）砂輪結(jié)合劑的選擇 常見的砂輪結(jié)合劑有陶瓷結(jié)合劑和樹脂結(jié)合劑。陶瓷結(jié)合劑具有氣孔率大、磨耗小的優(yōu)點(diǎn)，但不能承受劇烈振動(dòng)，一般在35m/s以下的工作速度使用；樹脂結(jié)合劑結(jié)合強(qiáng)度高，能在高速下進(jìn)行工作，工作速度可高于50m/s，樹脂結(jié)合劑的砂輪一般比陶瓷結(jié)合劑的硬度高。在高倍光學(xué)顯微鏡下觀察聚醚醚酮復(fù)合材料的形貌，碳纖維填料直徑約7μm，長度約140μm。由于磨削過程中碳纖維脫落后易堵塞砂輪氣孔，導(dǎo)致砂輪的切削性能變差，所以應(yīng)選擇氣孔率大的陶瓷結(jié)合劑。

（4）砂輪粒度的選擇 粒度是指磨料的顆粒尺寸。用粗粒度的砂輪磨削時(shí)，生產(chǎn)效率高，但加工的工件表面粗糙；用細(xì)粒度的砂輪磨削時(shí)，加工的工件表面質(zhì)量較好，尺寸精度高且質(zhì)量穩(wěn)定，但磨削效率低。粒度的選擇主要取決于磨削工件的表面粗糙度和磨削效率，在滿足表面粗糙度要求的前提下，應(yīng)盡量選用粗粒度的砂輪，以保證較高的磨削效率。一般粗磨時(shí)選用粗粒度的砂輪，精磨時(shí)選用細(xì)粒度的砂輪。復(fù)合材料齒輪的模數(shù)為1.5，齒面的表面粗糙度值Ra=0.8μm，公法線變動(dòng)量為0.015mm。由于齒輪模數(shù)小，齒面精度及表面粗糙度要求高，若采用粗粒度的砂輪，砂輪修型后齒面致密度不夠，磨削時(shí)齒面精度及表面粗糙度不穩(wěn)定，所以選取粒度80#、100#的砂輪進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，粒度100#的砂輪磨削后的表面質(zhì)量優(yōu)于粒度80#砂輪磨削后的表面質(zhì)量。

5.2 磨齒參數(shù)的改進(jìn)

磨齒分為粗磨和精磨兩個(gè)階段。在粗磨齒階段，應(yīng)采用大進(jìn)給量、大進(jìn)給速度快速去除余量；在精磨齒階段，應(yīng)采用小進(jìn)給量、小進(jìn)給速度，以滿足零件最終尺寸的穩(wěn)定性及表面粗糙度要求。加工時(shí)共分9次走刀進(jìn)給，因復(fù)合材料易堵塞砂輪，所以在每次進(jìn)刀磨削結(jié)束后要修整砂輪。砂輪線速度為30m/s，具體的磨削參數(shù)見表1。

表1 磨削參數(shù)

選用GC100JVKS碳化硅砂輪代替原來的5SG100-FG12VS3P剛玉砂輪磨削齒面，試驗(yàn)表明，GC100JVKS碳化硅砂輪能夠滿足零件的加工要求，磨削加工過程質(zhì)量穩(wěn)定，表面無劃道。

6 結(jié)束語

高強(qiáng)度耐磨聚醚醚酮復(fù)合材料S-0203加工缺陷產(chǎn)生的原因以及砂輪選型和修整經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下。

1）齒輪端面掉塊缺陷產(chǎn)生的原因是壓套過程中的機(jī)械擠壓力、磨削過程的剪切力；齒面劃道缺陷產(chǎn)生的原因是所使用的砂輪過軟，砂粒脫出后劃傷齒面。

2）磨削時(shí)應(yīng)采用硬度稍軟、氣孔率大的陶瓷結(jié)合劑碳化硅砂輪，即選擇牌號(hào)中含C/GC（碳化硅）、H/J/K（軟）、V（陶瓷結(jié)合劑）的砂輪。

3）復(fù)合材料S-0203是一種硬工程塑料，在磨削過程中易掉渣、易堵塞砂輪，需要及時(shí)修整砂輪，既要保持砂輪鋒利，又要保證砂輪的磨削精度。